KR20160133484A - 형광체 대량 적재형 led 패키지 - Google Patents

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Abstract

더 높은 안정성을 갖는 형광체 대량 적재형 LED 패키지 및 형광체 대량 적재형 LED 패키지의 안정성을 상승시키는 방법에 관한 것이다. 패키지의 실리콘 함량은, 배합물의 형광체의 양을 줄이거나 실리콘 형광체 배합층의 두께를 증가시킴으로써 상승한다.

Description

형광체 대량 적재형 LED 패키지{HEAVILY PHOSPHOR LOADED LED PACKAGES}
본 개시내용은 개괄적으로 형광체가 적재된 발광 다이오드(LED)에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시내용은 더 높은 안정성을 갖는 형광체 대량 적재형 LED 패키지 및 형광체 대량 적재형 LED 패키지의 안정성을 상승시키는 방법에 관한 것이다.
LED는 백열등과 같은 다른 광원의 대체용으로서 많이 사용되는 반도체 발광기이다. LED는 특히, 독립형(discretized) 또는 고집광형(highly concentrated) 광이 요구되는 용도에서 광원으로서 유용하다. LED 패키지에 의해 생성되는 광의 컬러는 그 제조에 사용되는 반도체 재료의 유형에, 그리고 형광체 시스템(phosphor system)이 사용되는 경우에는, 사용되는 형광체나 형광체 배합물(blend)에 종속된다.
발광 다이오드 및 레이저(이들 모두를 본 명세서에서는 일반적으로 LED라고 칭함)를 비롯한 컬러 반도체(colored semiconductor) LED는 갈륨 질화물(GaN) 등의 III-V족 합금으로부터 생성되고 있다. 갈륨계 LED의 경우, 광이 일반적으로 전자기파 스펙트럼의 녹색 범위에서 UV로 방출된다. 최근까지도 LED는 그 LED가 생성한 광의 본연의 컬러 때문에 밝은 백색이 필요한 조명 용도에는 적합하지 않았다.
형광체는 방사선(에너지)을 가시광으로 변환한다. 형광체의 상이한 조합이 상이한 컬러의 발광을 제공한다. 생성된 가시광의 컬러는 형광체의 특정 성분에 종속된다. 형광체 물질은 기본 컬러의 단일 형광체 또는 2개 이상의 형광체만, 예를 들어 원하는 컬러(틴트)의 광을 방출하기 위해서 황색 및 적색 형광체의 하나 이상과의 특정 혼합물을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용될 때에, 용어 "형광체"와 "형광체 물질"은 단일 형광체 조성뿐만 아니라 2개 이상의 형광체 조성의 배합물을 둘다 지칭하는데 이용될 수 있다.
"백색" 광이 요구되는 특정 용도에서는, 원하는 특성의 적절한 최종(net) 발광 방출 스펙트럼을 제공하기 위해서 형광체를 LED와 함께 사용한다. 통상 "백색" 광은 상관 색 온도(Correlated Color Temperature, CCT) 2500K 내지 6000K 범위의 컬러에서 흑체 궤적(black body locus)에 근접한 것으로서 정의된다. 예를 들어, 통상의 조명기구(luminaire) 적용에서는, 전자기파 스펙트럼의 청색 영역에서 발광하는 InGaN(인듐 갈륨 질화물)로 이루어진 LED는 약 2500K CCT로부터 6000K CCT 이상에 이르는 복합 스펙트럼 출력을 제공하기 위해 황색, 녹색 및 적색 형광체와 함께 사용된다. 그 결과로 형성된, CIE 삼자극치(tristimulus) 플롯에서의 색 온도 및 색점은 발광 다이오드의 출력 스펙트럼 파워 및 파장, 배합 비율, 변환 특성, 및 사용된 형광체 양에 종속된다.
미국 특허 제7,497,973호에는 Mn4 +로 활성화되는 복합 형광체를 포함하는 형광 물질 및 반도체 광원을 포함하는 LED를 개시하고 있다. 특정 형광체 물질은 K2[SiF6]:Mn4+(칼륨 불소 실리콘, PFS)이다. 상기 특허에서 설명하는 좁은 적색 형광체(narrow red phosphor)의 임의의 것이 본 발명에 이용될 수 있다.
다른 LED는 PFS 형광체와 형광체 BSY(blue-shifted Yttrium Aluminum Garnet(YAG))의 조합을 이용한다. 이 조합은 BSY-PFS라고 불리며, 백색 광을 산출한다. BSY-PFS 조합을 사용하는 LED 패키지의 일 양호한 실시형태는 본 명세서에서 예시적인 실시형태로서 사용되는 저(low)파워 내지 중(mid)파워(<1W) LED 패키지이다. 이러한 패키지의 일례는 Nichia Mint 형광체(BSY) 및 Nichia 757 패키지에 사용된 GE PFS 형광체를 이용하여 제조된다. 백색 LED에의 가넷 형광체(garnet phosphor)의 사용은 미국 특허 제5,998,925호 및 제7,026,756호에 속하는 것이다. 당업자에게는 본 발명의 요소의 구현화가 Nichia 757에 제한되지 않음이 명백할 것이다. 본 발명은 BSY 형광체 또는 스펙트럼이 유사한 형광체와 함께 PFS를 사용하는 다수의 상이한 LED 패키지에서 구현될 수 있다.
따라서, LED 패키지에서의 형광체 사용은 이점을 제공하며 일반적이다. 그러나, 일반적으로, PFS 형광체를 포함하는 LED 패키지는 장기적인 컬러 및 루멘 안정성 문제를 나타낸다. 예를 들어, 4000K Hi CRI(color rendering index)에서의 BSY-PFS 시스템의 컬러 요건은 실리콘/형광체 디스크/몰드의 매우 높은 형광체 적재를 필요로 한다. 습도가 있는 신뢰도 테스트에 있어서, 여기된 LED 패키지로부터의 결과적인 가시 방사선은 컬러 시프트된다. 스펙트럼 파워 분포의 대개 적색 성분은 동작 시간 동안 강도를 점차적으로 감소시킨다. 형광체 대량 적재(high phosphor loading)는 측벽 "트렌치" 형성 및 최종적인 색점 시프트가 일어나는 다른 효과를 가져온다.
전술한 단점이 BSY-PSF LED 등의 저파워 및 중파워 PSF LED의 유용성을 상당히 제한한다. 이에, 컬러 불안정 문제를 해소하는 LED 패키지 레벨 개선을 갖는 것이 유용할 것이다.
본 발명은 PFS 형광체를 사용하여 LED 패키지의 안정성을 높이는 것에 관한 것이다. 전술한 바와 같이 이러한 패키지에는 일반적으로 형광체 적재량이 많다. 이 상황에서의 대량 적재는 실리콘에 대한 형광체의 중량비가 20%, 30% 이상을 나타낸다.
적어도 일 양태에 있어서, 본 개시내용은 PFS 형광체 시스템을 채택하는 LED 패캐지의 장기적인 안정성 및 신뢰성을 높이는 방법을 제공한다. 일 예시적인 실시형태는 BSY-PFS 형광체 배합물이 대량 적재된 Nichia 757 중파워 LED 패키지이다.
다른 양태에 있어서, 본 개시내용은 안정성이 높은 형광체 대량 적재형 LED 패키지를 제공한다.
장기적인 안정성을 높이는 방법은 실리콘 대 형광체의 중량비의 상승을 수반하여, 형광체를 보호하고 안정성을 상승시킨다. 중량비는 적어도 두가지 방식으로 상승할 수 있으며, 이 두가지 방식은 적절한 성능을 실질적으로 유지하면서 안정성을 상승시킨다.
형광체 대량 적재형 LED 패키지의 안정성을 높이는 한 방법에서는, LED 패키지 캐비티의 사이즈를 늘리고, 형광체의 총량을 동일하게 유지하면서 실리콘 중량비가 더 높은 실리콘 형광체 배합물을 이용한다.
제2 방법에서는, 형광체 함량을 적절한 레벨로 유지하면서 실리콘 함량을 상승시키도록 실리콘 형광체 배합비를 조절한다.
도 1은 종래 기술의 LED의 개략도이다.
도 2는 실리콘 중량 퍼센티지가 더 높은 실리콘 형광체 배합물 및 더 깊은 캐비티를 가진 LED 패키지를 도시하는 도면이다.
본 개시내용은 다양한 구성요소들 및 구성요소들의 배열로 그리고 다양한 공정 동작 및 공정 동작의 배열로 나타낼 수 있다. 본 개시내용은 다양한 도면 전체에서 같은 도면 부호가 대응 또는 유사한 부분을 가리킬 수 있는 첨부 도면에 예시되어 있다. 이들 도면은 바람직한 실시형태를 예시하는 목적을 위한 것일 뿐이며, 본 개시내용을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 이하에서는 도면의 설명이 제공되므로, 본 개시내용의 신규한 양태들이 당업자에게 명백해질 것이다.
다음의 상세한 설명은 사실상 예시일 뿐이며, 본 명세서에 개시하는 적용 및 사용을 한정하려는 의도는 없다. 또한, 전술한 배경이나 개요에 또는 이하의 상세한 설명에 제시하는 어떤 이론에 의해서도 제한되는 의도는 없다. 본 기술의 실시형태는 주로 PFS LED 패키지, 특히 Nichia 757 BSY-PFS LED 패키지 등의 저파워 및 중파워 LED 패키지와 관련하여 설명하지만, 그 개념은 다른 유형의 형광체 적재형 LED, 구체적으로 다른 유형의 형광체 대량 적재형 LED에도 적용 가능하다. 특별히, 본 개념은, 실리콘에 대한 형광체 중량비가 높고(20%, 30% 이상) 형광체 중 적어도 하나가 습기 등의 주변 대기 성분에 민감한 LED 패키지에 최상으로 적용될 수 있다.
도 1은 예시적인 종래 기술의 LED 패키지(10)를 도시하고 있다. 패키지(10)는 발광 다이오드(LED) 칩(12)을 포함한다. 형광체 및 실리콘 배합층(22)이 칩(12) 위에 배치된다. LED 칩(12)과 형광체 실리콘 배합층(22)은 렌즈(18)로 캡슐화된다. LED 패키지(10)는, LED 칩(12)과 형광체 실리콘 배합층(22)이 유지되는 캐비티(32)를 규정하는 외부 인클로저(30)를 포함한다. 캐비티(32)는 깊이 "d"를 갖는다. 형광체 실리콘 배합층(22)은 화살표(22)가 가라키는 방향으로 LED 칩(12)에 방사선 결합(radiationally coupled)된다. 방사선 결합된다는 것은, 어느 한 요소로부터 방출된 방사선의 적어도 일부가 다른 요소에 투과되도록 이들 요소들이 서로 연관되어 있다는 것을 의미한다.
전술한 종래 기술에 있어서, 원하는 백색 광을 얻기 위해서는 소정량의 형광체 배합물이 필요하다. 또한, 필요한 제조 요건을 달성하기 위해서는 실리콘 양이 중요하다. 이들 인자 및 캐비티(32)의 사이즈가, 형광체 실리콘 배합층(22)에서의 형광체 및 실리콘의 바람직한 상대적 퍼센티지를 결정한다.
본 발명에 따른 LED 패키지(50)의 일 실시형태가 도 2에 도시된다. LED 칩(52) 위에는 형광체 실리콘 배합층(54)이 배치다. 이 층(54)에는 선택적으로 렌즈(56)가 덮인다. LED 칩(52)과 형광체 실리콘 배합층(54)은 외부 인클로저(60)에 의해 형성되는 캐비티(58) 내에 유지된다.
형광체 실리콘 배합층(54)은 실리콘과 형광체 배합물을 포함한다. 형광체 실리콘 배합물은 형광체가 대량으로 적재되는 것(20%보다 많이)이 바람직하며, 형광체 배합물의 성분으로서 좁은 적색 형광체(narrow red phosphor)를 포함한다. 일례는 K2[SiF6]:Mn4 + 형광체(칼륨 불소 실리콘, PFS)이다. 형광체 배합물은 형광체 BSY(blue-shifted Yttrium Aluminum Garnet(YAG))도 포함할 수 있다. 이 조합을 BSY-PFS라고 부른다.
바람직한 실시형태에 있어서, LED 패키지는 저파워 내지 중파워(<1W)의 LED 패키지이다.
캐비티(58)는 깊이 "dd"를 갖는다. 캐비티(58)의 깊이 "dd"가 캐비티(32)의 깊이 "d"보다 크며, 이것은 실리콘 형광체층(54)이 종래 기술의 디바이스 내의 층(22)보다 체적이 더 큰 것을 의미한다. 적절한 기능에 대해 형광체의 양이 동일하게 유지될 수 있기 때문에, 배합물에서 실리콘의 양이 증가할 수 있고, 이것은 형광체를 보호하고 컬러 시프트에 있어서 개선을 제공한다.
캐비티 깊이 "dd"는 현재의 LED 패키지의 깊이 "d"의 추가 0.3배 내지 3배 상승할 수 있다. 다시 말해, dd는 약 1.3d 내지 3d의 범위이다. 예를 들어, Nichia 757 패키지는 300 미크론의 캐비티 깊이를 갖는다. 400 미크론 내지 900 미크론의 캐비티 깊이의 상승은 바람직할 수 있다. 이하의 표는 실리콘 중량 퍼센티지에 대한 dd의 상승 효과를 나타내고 있다.
[표 1]
Figure pct00001
본 발명의 제2 실시형태에 있어서, BSY-PFS 배합물 내의 PFS 형광체의 절대 질량 함유율이 감소한다. 이것은 LED의 최종 스펙트럼 파워 분포의 적색 함량을 저감시킬 수 있지만 동작시 강건성(robustness)을 향상시킬 것이다. PFS의 양은 색 온도 및/또는 연색 지수(color rendering index, CRI)에서의 적절한 트레이드오프로 감소할 수 있다.
PFS 형광체로부터의 스펙트럼에서 충분한 적색 발광을 제공하기 위해서, 실리콘 중량 퍼센티지는 일반적으로, 주어진 통상의 LED 패키지(Nichia 757 등)에 대한 제조 공정에서의 배합물의 필수 점성에 의해 결정되는 허용 가능한 최소 값 근방에 있다. 다시 말해 PFS:BSY:실리콘에 대한 바람직한 범위 및 비율은 35-40:10-12:48-52이다.
비교예의 (Nichia 757 중파워 패키지에 사용되는) PFS-BSY 실리콘 배합물 내의 PFS의 중량 퍼센티지는 약 40 중량%이다. 배합물 내의 PFS의 총량은 약 36% 감소하여 실리콘 중량 퍼센티지가 약 49% 내지 53% 증가하게 된다(BSY는 11%로 유지된다).
본 명세서에서 설명하는 패키지는 그것의 방출 방사선이 형광체에 지향될 때에 백색 광을 생성하는 것이 가능한 임의의 반도체 가시광 또는 UV 광원을 포함할 수 있다. LED의 양호한 피크치 발광은 사용되는 형광체의 본체(identity)에 종속되며, 약 250-550 nm의 범위에 이를 수 있다. 그러나, 일 양호한 실시형태에서는, LED의 발광이 청색-녹색 영역에서 자색으로 보일 것이며, 약 420 내지 약 500 nm의 범위에 이르는 피크 파장을 갖는다. 그리고 통상 반도체 광원은 다양한 불순물로 도핑된 LED를 포함한다. 이에, LED는, 임의의 적절한 III-V, II-VI 또는 IV-IV족 반도체층에 기반한, 약 250 내지 550 nm의 피크치 발광 파장을 갖는 반도체 다이오드를 포함할 수 있다.
여기에서 설명하는 본 발명의 예시적인 구조의 일반적인 설명이 무기 LED 기반의 광원에 관한 것이지만, LED 칩은 유기 발광 구조 또는 다르게 주지되어 있는 기타 방사선원에 의해 대체될 수도 있고, LED 칩 또는 반도체에 대한 임의의 지칭은 임의의 적절한 방사선원을 대표하는 것일 뿐임이 이해되어야 한다.
렌즈는 에폭시, 플라스틱, 저온 유리, 고분자, 열가소성, 열경화성 물질, 수지, 또는 예컨대 관련된 기술 분야에 알려져 있는 다른 유형의 LED 캡슐화 재료일 수 있다. 선택사항으로서, 렌즈는 스핀온 글래스, 또는 고굴절율을 가진 기타 재료이다. 일 양호한 실시형태에 있어서, 렌즈는 기타 유기 또는 무기 캡슐재료(encapsulant)를 사용할 수도 있지만, 에폭시, 실리콘, 또는 실리콘 에폭시 등의 고분자 재료이다.
렌즈는 LED 칩 및 형광체 실리콘 배합 물질에 의해 생성되는 광의 파장에 대해 투명하거나 실질적으로 광학적으로 투과성인 것이 바람직하다. 대안적 실시형태에 있어서, 패키지는 외부 렌즈 없이 캡슐재료를 포함할 수도 있다.
LED 패키지는 외부 인클로저는 통상 고분자 복합 재료 EMC(Epoxy Moldable Compound)로 제조된다. LED 칩은 예컨대 리드 프레임(lead frame)(도시 생략)에 의해, 자기 지지 전극에 의해, 인클로저의 바닥부에 의해, 또는 쉘에 또는 리드프레임에 탑재된 받침대(pedestal)(도시 생략)에 의해 지지될 수 있다. LED 칩은 외부 인클로저의 바닥면에서 전기 컨택에 전기적으로 부착된다. 당업자는 LED 패키지 내에 유사한 기능적 속성을 가진 다수의 칩이 존재할 수 있는 것을 알 것이다.
실시예
표 2는 다양한 형광체 적재량의 BSY-PFS 배합물을 가진 Nichia 757 LED 사이의 컬러 안정성에 있어서 최종적인 개선을 보여준다. 실리콘 형광체 배합물에 사용된 형광체(BSY+PFS)의 총량을 47 중량% 내지 51 중량%로 다르게 하였다. BSY의 양은 11 wt%로 일정하였고, PFS는 36 내지 40%였다. 실리콘은 49 내지 53t%였다. LED 구동 및 주위 조건은 동일하게 하였다. LED 동작 조건은 47℃의 일정한 온도에서 30 mA였다. 1500 시간 동안의 관찰 결과는, PFS 형광체 적재량을 40%로부터 36%까지 감소시키고(총 형광체는 51% 내지 47%) 실리콘은 49%로부터 53%까지 증가시킴으로써 컬러 시프트에 있어서 50% 이상의 개선을 나타내고 있다.
[표 2]
Figure pct00002
이하의 표 3은 CCT와 형광체 적재량 사이의 방향 비교(directional comparison)를 나타내고 있다. PFS의 적재분이 40%부터 36%로 감소할 때에, CCT에서의 전체 ~200K 강하가 있다. 대부분의 경우에, 용인 가능한 색 온도 변화에 대한 산업 표준 공차는 이러한 변화 범위를 수용할 수 있다.
[표 3]
Figure pct00003
본 개시내용에 포함되게 되는 대안의 실시형태, 실시예, 및 변형예들이 특히 전술한 지침의 견지에서 당업자에게 발상될 수 있다. 또한, 본 개시내용을 설명하는데 사용된 전문용어는 제한적인 아니라 설명을 위한 단어의 특성 내에 있는 것이 의도된다.
또한 당업자라면 본 개시내용의 범위 및 사상에서 벗어나는 일 없이 전술한 양호한 실시형태 및 대안적 실시형태의 다양한 적응 및 변형이 구성될 수 있음이 이해될 것이다. 이에, 이하의 청구범위의 범주 내에서, 본 개시내용은 본 명세서에 구체적으로 설명한 것과 다르게 실시될 수 있음이 이해되어야 한다.

Claims (19)

  1. 형광체 실리콘 배합물(phosphor silicon blend)을 함유하는 형광체 대량 적재형(heavily phosphor loaded) LED 패키지의 컬러 안정성(color stability)을 높이는 방법에 있어서,
    상기 형광체 실리콘 배합물의 체적 및 실리콘의 총 중량은 증가시키지만, 형광체의 중량은 유지시킴으로써, 상기 형광체 실리콘 배합물 내에서의 실리콘 대 형광체의 중량비를 상승시키는 단계를 포함하는 LED 패키지의 컬러 안정성을 높이는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 LED 패키지는 LED 패키지 캐비티 내에 유지되고, 상기 LED 패키지 캐비티는 상기 형광체 실리콘 배합물의 더 큰 체적을 수용하도록 사이즈가 증가하는 것인 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 LED 패키지 캐비티는 0.3 내지 3배만큼 증가한 깊이를 갖는 것인 방법.
  4. 제4항에 있어서, 상기 LED 패키지 캐비티의 깊이는 400 내지 900 미크론인 것인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 형광체 실리콘 배합물 내에서의 상기 실리콘의 중량 퍼센트는 54 내지 75인 것인 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 형광체 실리콘 배합물 내에서의 상기 실리콘의 중량 퍼센트는 58 내지 75인 것인 방법.
  7. 형광체 실리콘 배합물을 함유하는 형광체 대량 적재형 LED 패키지에 있어서,
    상기 LED 패키지는 400 내지 900 미크론의 깊이를 가진 LED 패키지 캐비티 내에 유지되고, 상기 형광체 실리콘 배합물 내에서의 실리콘의 중량 퍼센트는 54 내지 75인 것인 LED 패키지.
  8. 제7항에 있어서, 상기 LED 패키지 캐비티의 깊이는 450 내지 900 미크론인 것인 LED 패키지.
  9. 제7항에 있어서, 상기 형광체 실리콘 배합물 내에서의 상기 실리콘의 중량 퍼센트는 58 내지 75인 것인 LED 패키지.
  10. 형광체 실리콘 배합물과, 상기 형광체 실리콘 배합물의 성분으로서 좁은 적색 형광체(narrow red phosphor)를 함유하는 형광체 대량 적재형 LED 패키지의 컬러 안정성을 높이는 방법에 있어서,
    상기 형광체 실리콘 배합물 내에서의 실리콘 대 좁은 적색 형광체의 중량비를 상승시키는 단계를 포함하는 LED 패키지의 컬러 안정성을 높이는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 실리콘의 중량 퍼센트는 약 47 wt%로부터 약 53 wt%까지 상승하는 것인 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 좁은 적색 형광체는 PFS인 것인 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 형광체 실리콘 배합물은 형광체 BSY를 더 포함하는 것인 방법.
  14. 제10항에 있어서, 상기 형광체 실리콘 배합물은 약 53 wt% 양의 실리콘, 약 36 wt% 양의 PFS 형광체, 및 약 11 wt% 양의 BSY 형광체를 포함하는 것인 방법.
  15. 제10항에 있어서, 상기 LED 패키지는 BSY-PFS 형광체 배합물이 대량 적재된(highly loaded) 중파워(mid power) LED 패키지인 것인 방법.
  16. 제10항에 있어서, 상기 LED 패키지는 컬러 시프트(color shift)에 있어서 적어도 25% 개선되는 것인 방법.
  17. LED와 실리콘 형광체 배합물을 포함하는, 높은 컬러 안정성을 가진 형광체 대량 적재형 LED 패키지에 있어서,
    상기 실리콘 형광체 배합물은 약 53 wt% 양의 실리콘, 약 36 wt% 양의 PFS 형광체, 및 약 11 wt% 양의 BSY 형광체를 포함하는 것인 LED 패키지.
  18. 제17항에 있어서, 상기 LED 패키지는 BSY-PFS 형광체 배합물이 대량 적재된 중파워 LED 패키지인 것인 LED 패키지.
  19. 제17항에 있어서, 상기 LED 패키지는 컬러 시프트에 있어서 적어도 25% 개선되는 것인 LED 패키지.
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